EA 026024B1 20170228 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2017\PDF/026024 Полный текст описания [**] EA201400865 20140701 Регистрационный номер и дата заявки EAB1 Код вида документа [PDF] eab21702 Номер бюллетеня [**] СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ФРАКЦИЙ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ Название документа [8] G01N 15/06, [8] G01N 21/47 Индексы МПК [BY] Лысенко Сергей Александрович, [BY] Кугейко Михаил Михайлович, [BY] Хомич Василий Васильевич Сведения об авторах [BY] БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (БГУ) Сведения о патентообладателях [BY] БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (БГУ) Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000026024b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Способ дистанционного определения массовых концентраций фракций атмосферного аэрозоля путем посылки в атмосферу излучения с длинами волн λ 0,355, 0,532 и 1,064 мкм, регистрации сигналов обратного рассеяния P(r, λ) в зависимости от расстояния r от измерительной системы, восстановления из сигналов P(r, λ) пространственного профиля оптической характеристики аэрозоля на длинах волн оптического зондирования и определения массовых концентраций фракций аэрозоля PM X , где X - верхний размер аэрозольных частиц в мкм, на основе их регрессионных связей с оптической характеристикой, отличающийся тем, что дополнительно посылают излучение с длиной волны λ 2,13 мкм и регистрируют соответствующий ему сигнал P(r, λ), по сигналам P(r, λ) определяют пространственный профиль аэрозольного коэффициента ослабления ε( λ) на длинах волн λ 0,355, 0,532, 1,064 и 2,13 мкм, рассчитывают линейно независимые компоненты спектральных коэффициентов ε( λ) для каждой точки трассы, как проекции ε( λ) на пространство из собственных векторов ковариационной матрицы ε( λ), а концентрации PM 1,0 , PM 2,5 , PM 10 и полную массовую концентрацию аэрозоля определяют на основе их регрессионных связей с линейно независимыми компонентами ε( λ).


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

1. Способ дистанционного определения массовых концентраций фракций атмосферного аэрозоля путем посылки в атмосферу излучения с длинами волн λ 0,355, 0,532 и 1,064 мкм, регистрации сигналов обратного рассеяния P(r, λ) в зависимости от расстояния r от измерительной системы, восстановления из сигналов P(r, λ) пространственного профиля оптической характеристики аэрозоля на длинах волн оптического зондирования и определения массовых концентраций фракций аэрозоля PM X , где X - верхний размер аэрозольных частиц в мкм, на основе их регрессионных связей с оптической характеристикой, отличающийся тем, что дополнительно посылают излучение с длиной волны λ 2,13 мкм и регистрируют соответствующий ему сигнал P(r, λ), по сигналам P(r, λ) определяют пространственный профиль аэрозольного коэффициента ослабления ε( λ) на длинах волн λ 0,355, 0,532, 1,064 и 2,13 мкм, рассчитывают линейно независимые компоненты спектральных коэффициентов ε( λ) для каждой точки трассы, как проекции ε( λ) на пространство из собственных векторов ковариационной матрицы ε( λ), а концентрации PM 1,0 , PM 2,5 , PM 10 и полную массовую концентрацию аэрозоля определяют на основе их регрессионных связей с линейно независимыми компонентами ε( λ).


Евразийское
патентное
ведомство
026024
(13) B1
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.02.28
(21) Номер заявки 201400865
(22) Дата подачи заявки
2014.07.01
(51) Int. Cl.
G01N15/06 (2006.01) G01N 21/47 (2006.01)
(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ФРАКЦИЙ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ
(43) 2016.01.29
(96) 2014/EA/0049 (BY) 2014.07.01
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (БГУ) (BY)
(72) Изобретатель:
Лысенко Сергей Александрович, Кугейко Михаил Михайлович, Хомич Василий Васильевич (BY)
(56) BY-C1-14094
ZAVYALOV Vladimir V. et al., Aglite Lidar: calibration and retrievals of well characterized aerosols from agricultural operations using a three-wavelength elastic lidar. Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 3, 033522 (31 March 2009), p. 1-21
BY-C1-10845
КУТЕЙКО М. М. и др. О возможностях определения фракционных концентраций атмосферного аэрозоля из нефелометрических измерений. Вестник БГУ, Сер. 1, 2007, № 3, с. 39-44
US-A-6055052
TAKAMURA Tamio et al., Tropospheric aerosol optical properties derived from lidar, sun photometer, and optical particle counter measurements. Applied Optics, Vol. 33, November. 30, 20 October 1994
(57) Изобретение относится к области охраны окружающей среды, аналитического приборостроения. Задача изобретения - повышение точности дистанционного определения концентраций PM25 и PM10, расширение функциональных возможностей способа за счет определения PM10 и полной массовой концентрации городского и промышленного аэрозолей. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе дистанционного определения массовых концентраций атмосферного аэрозоля дополнительно посылают излучение с X = 2,13 мкм и регистрируют соответствующий ему сигнал P(r, X), по сигналам P(r, X) определяют пространственный профиль аэрозольного коэффициента ослабления e(X) на X = 0.355, 0.532, 1.064, 2.13 мкм, рассчитывают линейно-независимые компоненты спектральных коэффициентов e(X) для каждой точки трассы, как проекции e(X) на пространство из собственных векторов ковариационной матрицы e(X), а концентрации PM10, PM25, PM10 и полную массовую концентрацию аэрозоля определяют на основе их регрессионных связей с линейно-независимыми компонентами e(X).
Предлагаемое изобретение относится к области охраны окружающей среды, аналитического приборостроения.
Среди неблагоприятных факторов окружающей среды, влияющих на здоровье населения, большое значение имеет загрязнение воздуха взвешенными частицами (аэрозолем). Согласно данным последних исследований [1], примерно 2,1 млн смертей происходят ежегодно из-за увеличения объема мелкодисперсных (респирабельных) частиц в воздухе, которые могут проникать глубоко в легкие человека, вызывая рак, сердечно-сосудистые и респираторные заболевания. Согласно Американским и Европейским стандартам по качеству атмосферного воздуха, в качестве индикаторов респирабельных частиц используются массовые концентрации частиц PM10, PM25 и PM10 (particulate matter) с диаметром d <1.0, 2.5 и 10 мкм соответственно. В странах СНГ уровень загрязненности воздуха аэрозолем, в настоящее время количественно характеризуется полной массовой концентрацией аэрозоля М.
Известен способ измерения концентраций PM25 и PM10, в котором отдельные частицы протягиваются через сфокусированный лазерный луч, и регистрируется свет, рассеянный каждой частицей [2]. Интенсивность светового импульса позволяет оценить некоторый эквивалентный размер частицы, а количество световых импульсов определяет число аэрозольных частиц. Главным недостатком способа является локальность получаемой информации о степени загрязнения воздуха, поэтому для мониторинга атмосферного воздуха в пределах целого города или региона требуется построение сети автоматизированных станций с выходом всех данных на центральный пульт управления либо использование передвижных экологических лабораторий. Кроме того, данный способ существенно подвержен влиянию формы и показателя преломления частиц и обладает неприемлемо низкой эффективностью счета частиц с размером <0.3 мкм (вследствие большой вероятности попадания в освещаемый объем нескольких таких частиц).
Известен способ дистанционного определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля путем измерения оптических характеристик - коэффициентов ослабления или коэффициентов обратного рассеяния на трех длинах волн X: в коротковолновой (X = 0,35 мкм), видимой (X = 0,532 мкм) и инфракрасной (X = 1,06 мкм) областях спектра и использования функциональных соотношений между концентрациями и измеряемой оптической характеристикой [3]. Способ позволяет определять значения счетной N и объемной CV концентраций транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракций фонового атмосферного аэрозоля с радиусами частиц r1 = 0,01-0,1 мкм, r2 = 0,1-1,0 мкм и r3 > 1,0 мкм соответственно. Массовая концентрация аэрозоля, а также концентрации аэрозольных фракций PM10, PM25 и PM10 данным способом не определяются. Кроме того, данный способ, применим только для слабозамутненной атмосферы, содержащей фоновый аэрозоль, и не может использоваться для городских и промышленных аэрозолей.
В работе [4] также описан способ дистанционного определения PM10, PM25 и PM10 на горизонтальных и наклонных трассах в приземном слое атмосферы, основанный на лидарном зондировании атмосферы на X = 0.355, 0.532, 1.064 мкм и измерении функции распределения аэрозольных частиц по размерам в наиболее удаленной от лидара точке трассы. В данном способе функция распределения аэрозольных частиц по размерам, получаемая на основе локальных измерений, распространяется на всю зондируемую трассу, что в ряде случаев может существенно сказываться на точности определения концентрации аэрозоля и его отдельных фракций. Кроме того, данный способ требует априорной информации о комплексном показателе преломления аэрозольного вещества, который, как правило, не известен и может изменяться в достаточно широких пределах. Необходимость измерений микроструктуры аэрозоля в конечной точке трассы зондирования существенно затрудняет возможность применения данного способа для получения круговой панорамы распределения аэрозоля в воздушном бассейне населенного пункта.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ дистанционного определения PM25 и PM10 [5].Основан на измерении сигналов обратного рассеяния из точек r зондируемой трассы на длинах волн X1 = 0,35 мкм; X2 = 0,532 мкм; X3 = 1,06 мкм, определении оптических характеристик аэрозоля и использовании регрессионных соотношений между массовой концентрацией и коэффициентом обратного рассеяния на длинах волн оптического зондирования. Длины волн лазерного излучения, используемые в данном способе, обуславливают наибольшую чувствительность соответствующих им измерений к частицам субмикронного аэрозоля, близких по размеру к длине волны зондирующего излучения. Спектр размеров городского аэрозоля, ввиду многообразия его источников, является значительно более широким и включает также промышленные частицы дисперсионного происхождения, с размерами от единиц до десятков микрометров. В результате данный способ не обеспечивает необходимую для практики точность определения PM25 и PM10 (погрешности их определения в некоторых случаях могут превышать 100%) [6]. Кроме того, данный способ не позволяет определять концентрацию аэрозольных частиц с d <1.0 мкм, а также полную массовую концентрацию аэрозоля.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения точности дистанционного определения концентраций PM25 и PM10 и расширение функциональных возможностей способа за счет определения PM10 и полной массовой концентрации городского и промышленного аэрозолей.
Сущность данного изобретения поясняется с помощью фиг. 1-10.
На фиг. 1-4 сопоставлены заданные (ось абсцисс) и восстановленные из смоделированных коэффи
циентов e(X) (ось ординат) концентрации PM10, PM25, PM10 и М.
На фиг. 5 представлены смоделированные сигналы L(r) = ln[P(r)r2] на X = 0.355 (1), 0.532 (2), 1.064 (3), 2.13 (3) мкм.
На фиг. 6 сопоставлены заданные (толстые линии) и восстановленные из сигналов L{r) (тонкие линии) профили e(r) для X = 0.355 (1), 0.532 (2), 1.064 (3), 2.13 (3) мкм.
На фиг. 7-10 сопоставлены заданные (толстые линии) и восстановленные из e(r, X) (тонкие линии) профили PM1,0(r), PM2,5(r), PMw(r), М(Г).
Дистанционное определение концентраций аэрозольных фракций в городском воздухе по данным многоволнового лазерного зондирования включает восстановление из регистрируемых сигналов P(r, X) (где r - пространственная координата, отсчитываемая от источника излучения) профилей коэффициента аэрозольного ослабления e(r) на длинах волн зондирования X и решение обратной задачи аэрозольного светорассеяния относительно спектральных значений e(X) для каждой точки трассы зондирования.
Связь сигналов P(r, X) с оптическими параметрами аэрозоля (коэффициентами ослабления е и обратного рассеяния р") описывается хорошо известным уравнением лазерной локации
где A - аппаратурная константа;
G - геометрический фактор лидара, характеризующий перекрытие поля зрения приемника и посылаемого лазерного импульса.
Уравнение (1) записано для случая однокомпонентной среды, без учета молекулярного рассеяния. Для приземных трасс вклад молекулярного рассеяния в регистрируемы сигналы не существенен и, кроме того, при известных значениях температуры и давлении воздуха его учет не представляет значительных сложностей [6].
Для решения уравнения (1) необходимо, во-первых, задать связь между е и рп или так называемое лидарное отношение S = е/рп, а во-вторых, определить опорное значение е или рп на некотором участке трассы. Значение S, как правило, полагается неизменным вдоль трассы зондирования. Для горизонтальных трасс, со сравнительно небольшими пространственными вариациями е и рп, среднее по трассе значение аэрозольного коэффициента ослабления Б МОЖНО определить непосредственно из лидарного сигнала. Действительно, в предположении, что
е(г)= е и рл(г) =e/S, уравнение (1) можно свести к линейному уравнению с двумя неизвестными Щ) = К-2Щ, (2)
где
!(/;) = 1п[,Р(г> (2];
i = 0,..., n;
n - количество точек на трассе; K = bi[As/S]-Zer0;
ехр[-Б (г-г0)] и получить реше-
r0 - минимальное расстояние от лидара, начиная с которого G(r) = 1. Переопределенное уравнение (2) легко решается методом наименьших квадратов:
В тех случаях, когда лазерный луч проходит через аэрозольный шлейф, например из труб промышленных предприятий, формулы (2)-(4) можно использовать для участков трассы до ближней границы шлейфа, для шлейфа и от шлейфа - до конца трассы. Причем ближнюю и дальнюю границы шлейфа можно легко определить по профилю регистрируемого сигнала, например по отношению сигналов для двух рядом расположенных пространственных участков трассы.
Восстановление концентраций M, PM10, PM25 и PM10 (далее обозначаются как PMX) из спектральных коэффициентов yj = e(Xj) (j= 1,..., NX, где NX - количество длин волн лазерного зондирования) осуществляется в следующей последовательности. На первом шаге определяют линейно-независимые компоненты (ЛНК) вектора y = (lnyj), как проекции (h1,..., hK) вектора у на пространство из собственных векторов vk его ковариационной матрицы
A*=v,(y- где k = 1,..., K;
К- количество ЛНК у, зависящее от погрешности измерения e(A,j) (в общем случае K (У) - вектор, полученный путем усреднения результатов расчета у в рамках оптической модели аэрозоля.
На втором шаге рассчитываются концентрации PMX, соответствующие найденным коэффициентам hk. Для этого будем использовать полиномиальные множественные регрессии
^•="00 + ZI> *AJ, (6)
где a00 и aks - коэффициенты регрессии, предварительно полученные на основе ансамбля модельных реализаций PMX и e(Xj);
S - степень полинома (ниже используется S = 3).
Коэффициенты e(X) рассчитывались в приближении модели городского аэрозоля [8], принятой Всемирной метеорологической ассоциацией. Модель описывает оптические свойства аэрозоля в виде суперпозиции трех фракций - сажевой, водорастворимой и пылевой. Каждая фракция характеризуется объемной концентрацией, модальным радиусом и полушириной распределения частиц по размерам, комплексным показателем преломления аэрозольного вещества. Диапазоны вариаций модельных параметров, используемые при статистическом моделировании оптических параметров аэрозоля, приведены в работе [9]. Расчет аэрозольного коэффициента ослабления выполнялся по известным формулам Ми для X = 0.355, 0.440, 0.532, 0.670, 0.870, 1.064, 1.28, 1.56, 1.61, 2.13 мкм. Данные X находятся в "окнах прозрачности" атмосферы для видимого и ближнего ИК диапазонах спектра [10]. Длины волн 0.355, 0.523, 1.064 мкм также соответствуют гармоникам Nd:YAG3+ - лазера, широко используемого в практике оптического зондирования атмосферы. Массовые концентрации PMX рассчитывались на основе объемных концентраций и функций распределения частиц аэрозольных фракций по размерам с учетом ограничений по верхнему размеру частиц (X). Плотность вещества частиц принята в расчетах равной 1.4 г/см3.
Смоделированный ансамбль реализаций PMX и e(X) позволяет оценить потенциальную точность восстановления PMX из результатов зондирования атмосферы на различных X, исследовать устойчивость процедуры восстановления PMX к погрешностям измерения e(X) и выбрать оптимальные X. Такой анализ выполняется в следующей последовательности. Для заданного набора Xj (j= 1,...,NX) формируется ансамбль векторов y = (lne(XJ)), рассчитывается ковариационная матрица вектора y и ее собственные векторы vk. Далее по формуле (5) находят линейно-независимые компоненты (hk) всех реализаций y и методом наименьших квадратов вычисляют коэффициенты множественных регрессий между hk и PMX. Устойчивость полученных регрессий к погрешностям измерения e(XJ) исследуется на основе тестового набора данных, в котором каждая реализация у получена путем наложения на коэффициенты e(XJ) случайных отклонений в пределах 5е. Далее перебираются все тестовые реализации y и для каждой из них по формулам (5) и (6) рассчитываются концентрации аэрозоля и его респирабельных фракций PM*X, которые сравниваются с их известными значениями PMX, соответствующими рассматриваемой реализации y. После перебора всех реализаций у рассчитываются средние по ансамблю погрешности восстановления PMX, в соответствии с которыми выбирается оптимальное количество линейно-независимых компонент hk в формуле (6) и оценивается информативность коэффициентов e(XJ), отвечающих различным Xj.
Описанным выше способом оценивалась эффективность использования различных X, для лазерного зондирования городского аэрозоля. Так, по измерениям e(X) на X= 0.355, 0.532, 1.064 мкм с погрешностью 5е = 1% (10%) концентрации PMX можно определять с погрешностями 5PM10 = 9.3% (13.0%), 5PM2> 5 = 13.8% (14.2%), 5PM10 = 13.4% (14.7%), 5М= 28.0% (29.3%). Для восстановления PMX в этом случае следует использовать две ЛНК измеряемых коэффициентов e(X). Добавление к данному набору X дополнительных длин волн 0.44, 0.67, 0.87 мкм не изменяет количество ЛНК, содержащихся в e(X), и не приводит к существенному повышению точности восстановления PMX. Причина этого заключается в монотонной зависимости e(X) в диапазоне X = 0.355-1,064 мкм, которая с достаточно высокой точностью описывается двумя параметрами (формулой Ангстрема - e(X) = C-X-v).
Существенный выигрыш в точности определения массовой концентраций грубодисперсных частиц PM10 и полной массовой концентрации аэрозоля M можно получить с привлечением данных оптического зондирования атмосферы на X> 1.064 мкм. Погрешности восстановления PM10 и M из коэффициентов e(X), соответствующих 10 вышеуказанным X, составляют 5PM10 = 7.1% (7.9%), 5М= 14.2% (15.6%) при 5е = 1% (10%). При этом концентрации PM10, PM25 восстанавливаются практически с такой же точностью, как и на основе измерений e(X) на длинах волн Nd:YAG3+ - лазера -5PM10 = 6.8% (8.5%), 5PM25 = 12.4% (13.1%). С практической точки зрения важным является то, что примерно такие же погрешности определения PMX можно достичь с использованием оптико-локационной системы на основе Nd:YAG3+ - лазера, оснащенной дополнительным источником излучения с X = 2,13 мкм. В коэффициентах e(X), соответствующих X = 0.355, 0.532, 1.064, 2,13 мкм, содержится такое же количество ЛНК (равное трем), как и в коэффициентах e(X) для десяти X из диапазона X = 0.355-2.13 мкм, что свидетельствует об одинаковом
информационном содержании этих двух наборов данных. Погрешности восстановления PMX из e(X) для четырех оптимальных X составляют 5PM1> 0 = 7.1% (10.0%), 5PM2> 5 = 12.6% (13.3%), 5PM10 = 7.2% (8.1%), 5М= 14.3% (15.8%) при 5е = 1% (10%). Первые три собственных вектора vk ковариационной матрицы lne(X), соответствующие ее наибольшим собственным числам, приведены в табл. 1. Коэффициенты регрессий между PMX и проекциями lne(X) на пространство из векторов vk указаны в табл. 2. Точные и рассчитанные по формулам (5) и (6) концентрации PMX сопоставлены на фиг. 1-4. Коэффициенты корреляции между точными и расчетными значениями PM10, PM25, PM10 и М составляют соответственно 0.9954, 0.9908, 0.9900, 0.9746. Полученные уравнения регрессии позволяют в явном виде рассчитывать искомые параметры городского аэрозоля по спектральным значениям его коэффициента ослабления без необходимости решения обратной задачи и привлечения дополнительных измерений микрофизических параметров аэрозоля.
Таблица 1
Таблица 2
Представляет интерес сравнить статистические связи между PMX и e(X), получаемые в рамках используемой модели городского аэрозоля, с экспериментальными данными. К настоящему времени получены многочисленные корреляционные связи PMX с аэрозольными коэффициентами ослабления и рассеяния (Р). Эти взаимосвязи, как правило, описываются коэффициентами HX(X) = e(X)/PMX и VX(X) = р (X)/PMX, которые не являются однозначными, а зависят от функции распределения аэрозольных частиц по размерам и их комплексного показателя преломления. Исследованию HX(X) и VX(X) в зависимости от региона, времени года, метеопараметров и синоптической обусловленности воздушной массы посвящено большое количество работ. Рассмотрим результаты некоторых из них.
В работе [11] на основе 30 измерений Р(0.55 мкм) и PM25 в городской и сельской местностях для коэффициента V25(0.55 мкм) получен диапазон 2.0-5.0 м2/г. При этом для сельской местности было зафиксировано два случая с V25(0.55 мкм) > 10 м2/г. В [12] выявлена связь Р(0.532 мкм) с PM25, которая при V25(0.532 мкм) = 4.1 м2/г проявляется с коэффициентом корреляции 0.8. По данным [13] для районов Пекина H25(0.55 мкм) = 3.4+1.2 м2/г. Коэффициент корреляции между PM25 и е(0.55 мкм), согласно данным [14], составляет 0.6 и достигается при Н25(0.55 мкм) = 4.93 (+0.69) м2/г. Все эти данные близки к результатам нашего статистического моделирования, согласно которым значение V25(0.55 мкм) находится в диапазоне 2.0-9.9 м2/г, а средние значения V25(0.532 мкм) и Н25(0.55 мкм) составляют соответственно 4.0 и 5.3 м2/г.
Согласно экспериментальным данным [15] коэффициент связи между Р(0.55 мкм) и PM10 для городских аэрозолей изменяется в диапазоне 0.6-3.2 м/г, а его среднее значение составляет 1.5+0.5 м2/г. Для воздуха Пекина с относительно низким содержанием антропогенных частиц (PM25 < 50 мкг/м3) значение коэффициента H10(0.55 мкм) составляет 1.4+0.9 м2/г, тогда как для относительно загрязненного воздуха (PM25 > 100 мкг/м3) H10(0.55 мкм) = 3.1+0.9 м2/г [13]. По результатам наших модельных расчетов для коэффициента H10(0.55 мкм) получен диапазон 0.56-4.41 м2/г и среднее значение 1.8 м2/г, что с учетом неопределенности плотности аэрозольного вещества (в наших расчетах она принята равной 1.4 г/см3), достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Таким образом, статистические связи между оптическими и микрофизическими параметрами аэрозоля, получаемые в рамках используемой модели, адекватны свойствам реального аэрозоля и могут с успехом использоваться при обработке данных дистанционного лазерного зондирования атмосферы. При этом уравнения множественных регрессий между PMX и спектральными значениями e(X) являются зна
чительно более устойчивыми к вариациям микроструктуры и комплексного показателя преломления аэрозоля, чем коэффициенты HX(X), соответствующие конкретной X.
Для оценки потенциальных возможностей предложенного способа дистанционного определения PMX выполнены численные эксперименты по лазерному зондированию городского аэрозоля, суть которых состоит в следующем. В приближении модели [8] задавались микрофизические параметры аэрозоля вдоль трассы зондирования. Профили всех микрофизических параметров являлись гладкими функциями, медленно изменяющимися относительно некоторого среднего значения в пределах +5% для параметров функции распределения частиц по размерам (модального радиуса, параметра ширины распределения) и +25% для объемных концентраций сажевых, водорастворимых и пылевых частиц. Профили аэрозольного коэффициента ослабления e(r) и обратного рассеяния pn(r) рассчитывались по формулам теории Ми в соответствии с заданными микрофизическими параметрами аэрозоля. Лидарные сигналы рассчитывались на основе формулы (1) с внесением в расчетные значения P(r, X) случайных помех, соответствующих отношениям сигнал/шум (по уровню сигнала в конце трассы зондирования) 30, 20, 10. 5 для X = 0.355, 0.532, 1.064, 2.13 мкм соответственно. Различие погрешностей измерения сигналов для различных X связано с убыванием аэрозольного коэффициента обратного рассеяния и величины лидарного сигнала, с увеличением X. Обработка сигналов выполнялась по формулам (2)-(6).
Сигналы, смоделированные для одной из рассмотренных реализаций параметров исследуемой среды, изображены на фиг. 5. Результаты обращения полученных сигналов относительно профилей e(r, X) представлены на фиг. 6. В данном случае пространственные профили оптических параметров среды (рп и е) являются осциллирующими функциями, поэтому среднее по трассе значение е определяется с достаточно высокой точностью. Тем не менее, как видно из фиг. 6, восстановленные профили e(r, X) для некоторых участков трассы существенно отличается от модельных профилей e(r, X). Причиной этому являются пространственные вариации лидарного отношения (его среднеквадратичное отклонение вдоль трассы зондирования в данном случае составляет ~ 24%).
Профили PMX(r), восстановленные из e(r, X) по формулам (5) и (4), изображены на фиг. 7-10. Резкий перепад лидарного отношения в области r = 3-5 км, приводит к искажению восстановленных профилей PMX(r). Однако средние по трассе погрешности восстановления PM10, PM25, PM10 и М удовлетворяют практическим потребностям и составляют соответственно 5.8, 4.2, 4.8, 6.1%.
Таким образом, предложенный способ позволяет успешно определять профили полной массовой концентрации аэрозоля и концентраций всех его респирабельных фракций вдоль для горизонтальных трасс. При этом не требуется проведение сопутствующих локальных измерений оптических и микрофизических параметров аэрозоля на трассе что повышает удобство практического использования способа, и устраняет необходимость использования предположения об одинаковости микрофизических параметров аэрозоля в точке их измерений и на всей трассе при обработке данных дистанционного зондирования. Полученные уравнения регрессии между PMX и e(X) позволяют рассчитывать искомые параметры среды в простом аналитическом виде и оперативно получать карты загрязненности атмосферы. При этом в отличие от многочисленных парных корреляций между PMX и e(X), установленных экспериментальным путем для конкретной X, множественные регрессии между PMX и спектральными значениями e(X) существенно повышают точность определения PMX и обеспечивают устойчивость результатов восстановления PMX к вариациям показателя преломления аэрозольного вещества и функции распределения аэрозольных частиц по размерам.
Источники информации, принятые во внимание
1. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution and the contribution of past climate change/R.A. Silva [et. al.]//Environ. Res. Lett. 2013. V. 8. 034005.
2. Workplace aerosol mass concentration measurement using optical particle counters/P. Gorner [et. al.]//J. Environ. Monit. 2012. V. 14, N. 2. P. 420-428.
3. BY 10845 C1 2008.06.30
4. Aglite lidar: calibration and retrievals of well characterized aerosols from agricultural operations using a three-wavelength elastic lidar/V.V. Zavyalov [et. al.]//J. Appl. Remote Sens. 2009. V. 3. 033522.
5. BY 14094 C1 2011.02.28
6. Зуев, В. Е. Кауль, В. В. Самохвалов, И. В. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Новосибирск: Наука, 1986. С. 15-18.
7. Kovalev, V. A. Stable near-end solution of the lidar equation for clear atmospheres//Appl. Opt. 2003. V.
42, N 3. P. 585-591.
8. World Meteorological Organization. World Climate Research Programme: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. Geneva: Switzerland, Report WCP-112, WMO/TD-24. 1986. 360.
9. Peculiarities in spectral behavior of optical characteristics of urban aerosols by laser sensing data and model estimations/V.V. Barun [et. al.]//Proc. SPIE. 1999. V. 3983. P. 279-289.
10. Лысенко, С.А. Кугейко, М.М. Восстановление массовой концентрации пыли в промышленных
выбросах из результатов оптического зондирования//Опт. атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 11. С. 960-968.
11. NAPAP (1991) State of science and technology. V III, Chapter 24, Visibility. The US National Acid Precipitation Assessment Program, Washington DC. P. 24-90.
12. Aerosol optical properties at Pasadena, CA during CalNex 2010/J. E. Thompson [et. al.]//Atmos. Environ. 2012. V. 55. P. 190-200.
13. Optical properties of atmospheric aerosols obtained by in situ and remote measurements during 2006 Campaign of Air Quality Research in Beijing (CAREBeijing-2006)/J. Jung [et. al.]//J. Geophys. Res. 2009. V. 114, D00G02, doi:10.1029/2008JD010337.
14. Trier, A. Cabrini, N. Ferrer, J. Correlations between urban atmospheric light extinction coefficients and particle mass concentrations//Atmosfera. 1997. V. 10. P. 151-160.
15. Optical properties and chemical composition of aerosol particles at an urban location: An estimation of the aerosol mass scattering and absorption efficiencies/G. Titos [et. al.]//J. Geophys. Res. 2012. V. 117, D04206, doi: 10.1029/2011JD016671.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ дистанционного определения массовых концентраций фракций атмосферного аэрозоля путем посылки в атмосферу излучения с длинами волн X 0,355, 0,532 и 1,064 мкм, регистрации сигналов обратного рассеяния P(r, X) в зависимости от расстояния r от измерительной системы, восстановления из сигналов P(r, X) пространственного профиля оптической характеристики аэрозоля на длинах волн оптического зондирования и определения массовых концентраций фракций аэрозоля PMX, где X - верхний размер аэрозольных частиц в мкм, на основе их регрессионных связей с оптической характеристикой, отличающийся тем, что дополнительно посылают излучение с длиной волны X 2,13 мкм и регистрируют соответствующий ему сигнал P(r, X), по сигналам P(r, X) определяют пространственный профиль аэрозольного коэффициента ослабления e(X) на длинах волн X 0,355, 0,532, 1,064 и 2,13 мкм, рассчитывают линейно независимые компоненты спектральных коэффициентов e(X) для каждой точки трассы, как проекции e(X) на пространство из собственных векторов ковариационной матрицы e(X), а концентрации PM10, PM25, PM10 и полную массовую концентрацию аэрозоля определяют на основе их регрессионных связей с линейно независимыми компонентами e(X).
PM f , мкг/м 7654-
М, мкг/м 120
100
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
026024
026024
- 1 -
- 1 -
026024
026024
- 1 -
- 1 -
026024
026024
- 1 -
- 1 -
026024
026024
- 1 -
- 1 -
026024
026024
- 2 -
- 1 -
026024
026024
- 1 -
- 1 -
026024
026024
- 4 -
- 3 -
026024
026024
- 6 -
026024
026024
- 6 -
026024
026024
- 8 -
026024
026024
- 8 -
026024
026024
- 8 -
026024
026024
- 8 -